近日，材料科学与工程学院徐晓峰教授课题组在国际顶尖材料期刊《Advanced Functional Materials》发表了题为“3D-Printed Hygroscopic Matrices Based on Granular Hydrogels for Atmospheric Water Adsorption and On-Demand Defogging”的研究成果。本工作采用基于颗粒水凝胶的墨水体系，通过直接墨水书写技术成功构建了具有多级结构的吸湿性3D矩阵。该墨水由吸湿性无机-有机组分与颗粒水凝胶内部交联网络组成，在粘度、流变性能和模量等方面经过系统优化，显著提升了打印性能、成型精度、自支撑能力及材料适用性（图1）。通过将LiCl嵌入堆积的微凝胶中，材料吸湿能力得到有效增强；同时，两性离子共聚物形成的渗透网络不仅强化了力学性能，还实现了高体积溶胀，显著提高结构完整性并减少盐泄漏。打印出的多级孔晶格结构极大增加了比表面积和传质通道，从而加速吸附/解吸动力学，并在循环使用中保持优异的性能稳定性。作为本研究的核心成果，优化后的吸湿矩阵相比传统吸湿气凝胶，原材料用量减少53%，比表面积提高5.8倍，吸水容量显著提升1.4倍，在90%相对湿度下48小时内达到2.85 g g−1，其性能跻身迄今已报道的3D打印吸湿材料中的领先水平。
图1.基于颗粒水凝胶墨水的体系通过直接墨水书写技术，构建具有多级结构的吸湿性3D矩阵的示意图，并展示了其定制化防雾应用
该微凝胶介导的直写打印策略不仅拓宽了吸湿材料的3D打印适用范围，更实现了立方体、圆柱等多种可定制几何形状的按需制造，能够针对具体除湿与防雾应用进行个性化设计。通过定制化的直写打印工艺，成功制备出可集成于无人机镜头的吸湿柱结构（图2）。该结构能够有效控制内部湿度，防止镜头结雾，保证镜头透光率。该成果展现了3D打印技术在功能器件定制化方面的能力，也为下一代无人机光学系统的设计提供了材料与工艺支持，助力低空经济发展。未来，该吸湿结构还可应用于其他对湿度敏感的光学设备、精密仪器及车载传感系统中，有助于提升装备在复杂环境中的适应性。
图2.（a）自主无人机在温差异常环境下相机镜头结雾示意图，（b）具有不同尺寸的3D打印吸湿性圆柱结构，（c）用于实时防雾性的除湿测试装置及（d）不同温湿度条件下露点等温线分布图
学院2022级海洋材料科学与工程专业博士研究生吴晓春为本论文的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者青年项目、山东省自然科学基金等项目的资助。本研究得到了崔洪芝教授和Wang Zhihang博士等国内外合作导师的支持。
原文链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202514721
文/图：吴晓春
